干货 | 无距科技三余度飞控研发漫谈

时间:2018-02-13 分享至:
[宇辰导读]近日,网上流出了这样一段视频,内容是顺丰大型货运无人机在陕西蒲城首次试飞。作为世界首架试飞成功的大型货运无人机,代表的意义不言而喻。

技术背景

近日,网上流出了这样一段视频,内容是顺丰大型货运无人机在陕西蒲城首次试飞。作为世界首架试飞成功的大型货运无人机,代表的意义不言而喻。用实际行动向众多质疑者和观望者展现了中大型无人机技术实现的可行性,在此基础上,未来将出现更多以飞控技术为核心的多款大型无人机,以满足不同的使用需求。

大型工业级无人机特点在于载重大,续航时间长,不足之处则是其飞行作业成本高昂,执飞任务的可靠性关乎地面安全,并且执行的是民航飞行标准,对摔机容忍度极低,因而对其配套的控制系统有着极高的要求和严格的飞行测试标准。工业级无人机需要安全执行敏感的飞行任务和挂载高价值的有效载荷,作为无人机大脑的飞控系统需要承担对完成飞行任务期间的可靠控制问题。目前国内执飞的大型工业级无人机所使用的飞控系统通常被国外厂商垄断,缺乏有效市场竞争,导致工业级飞控使用成本高昂。专注于无人机最强大脑研发的无距科技,通过军用无人机飞控研发思路,面向工业级无人机平台,推出这套三余度飞控系统,它的意义可能不仅仅在于是一种研发实力的体现,也是对未来无人机领域更多应用空间的延伸。

三余度飞控系统/图 无距科技

三余度飞控综述

我们的三余度飞控系统拥有三个处理能力强大的控制计算机和三组高可靠性的导航传感器组,并集成了独立的测控和仲裁处理器。在多余度飞控系统中,我们称单个控制单元设备报错为1次故障,2个控制单元设备报错为2次故障,并以此类推。三余度飞控系统设计要求1次故障时还能够正常执行飞行任务,2次故障时系统安全降级,但仍能保证安全飞行。

交叉增强算法

在研发三余度飞控过程中,如何做到单元间运算逻辑的无缝切换是我们首要解决的问题。我们使用交叉增强算法来实现不同导航传感器组和不同计算机余度之间的故障隔离,即一个控制单元设备故障后不会影响到其他的工作。系统中任何一个控制单元设备发生故障,都不会导致故障蔓延,其余两个单元可进行无缝切换接管,继续提供双冗余布置。在极端条件应用中,如果剩余的双冗余系统中的一个出现运行故障,则同样由另一个无缝切换接管。该三余度飞控系统内部的传感器状态、CPU状态实时进行监控,能够在飞行过程中出现突发情况后进行相应的故障处置,进一步确保飞行安全。

积分均衡算法

三余度飞控执行飞行任务中会面临一个潜在问题,即不同计算机间独立积分运算产生的时钟漂移。由于三余度飞控系统控制量由三个独立的CPU计算得到,每个独立的飞控计算机模块内部使用独立的时钟,随着运行时间的增加,相互独立的模块输出的指令必然会由于积分器作用产生不可接受的漂移,我们采用三余度飞控计算机同步,积分器间均衡等算法,使得控制量解算的积分部分步长相同,确保三个余度的指令不会因为积分漂移被误表决而影响飞行安全。


 飞控系统流程图/图 无距科技

三余度表决

三余度飞控系统在工作中,每个飞控计算机都要运行相同的任务,主要包含操作系统、余度管理、自检测、控制律解算等环节。在筛选最优输出指令的问题上我们采用二次表决的方法。三个余度的飞控计算机同时运行,每个飞控计算机内部我们通过表决算法选择传感器信号输入,同时运行监控算法对所有余度传感器、计算机实现故障检测并隔离。每个余度计算机的控制指令最终发送到三余度表决器,由表决器进行表决后输出。

国军标测试标准

一套商用的双冗余飞行控制系统平均无故障运行时间大约在上万小时,而满足于高端工业级无人飞行器应用的三余度飞控,平均无故障运行时间可达到数万小时。针对行业准入标准,保证产品符合国军标测试指标,这套三余度飞控相较于常规飞控系统经过更严苛的测试。针对这套飞控平台我们投入了相当大的软硬件成本,对每一片飞控模块都按照国军标要求进行随机振动测试、温度循环测试、高低温存储测试、气压测试、盐雾测试、雷击浪涌测试及脉冲群测试等。PCB板达到IPC3级标准,特别的工艺也可以保证焊点的牢固性;飞控程序经过软件测试,半物理飞行仿真与严格的大数据飞行仿真验证,确保其运行稳定性,故障多样性处理和运行时长有着更可靠的数据参考;结合三冗余布置的设计结构使得该平台具有极高的可靠性和远低于行业标准的故障率。

写在结尾

 就像一辆合格的汽车,必须有安全带、安全气囊、后视镜、阻燃内饰、各种仪表盘等安全措施才能称为汽车一样。一套合格的工业级无人机平台必须有对应的可以满足其需求的三余度工业级飞控系统,才能让人感觉到它的可靠。三冗余飞控系统的技术突破是一个新的起点,独特的仲裁和交叉增强衔接算法可以确保更高的飞行可靠性,随着无人机应用空间的增多,无人机行业应用壁垒也会随之降低,使得高精尖无人机飞行成为普及型应用。在获得大量飞行验证的同时,也希望不断提升人们对无人机应用更深层次的认知。未来我们看到的天空,一定是顶上一片的通航飞机,再有就是一片无人机。

视频演示

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